D0I:10.13374/j.issn1001053x.1981.03.022 北京钢铁学院学报 1981年第3期 中43小钎头光弹试验分析 力学教研室能翼翔 采矿教研室齐金鐸 摘 要 为提高钎头的使用寿命和寻求合理的结构设计，对中43毫米钎头进行了光弹试 验。试验结果表明：在钎头载面变化及其与钎杆末端接触处有应力集中，在轩头的 尾端有较大的周向应力，这与生产实践中出现的钎头断腰和尾部开裂现象符合。根 据试验，对钎头的结构形状及钎头与钎杆的联结提出了改进意见，收到良好的效果。 一、试验方法 1,模型制作 (1)材料制作环氧树脂、邻苯二甲酸二丁脂、顺丁稀二酸干以一定比例配制，按工 艺要求，将其浇铸于涂有脱模剂的玻璃管中，在恒温箱中进行低温固化，制成中45意米的棒 材。为了避免和减少原材料中的初应力，在弹塑性状态下脱模，然后在不受约束的情况下， 对环氧树脂棒进行二次固化。 (2)机加工切去环氧树脂棒的端部，按图纸尺寸加工成钎头体及钎杆末端部分的形 状。因为主要是研究钎头体的应力，暂不考虑硬质合金对钎头头部的局部影响(6〕。所以， 对钎头体作了如图1的简化。 图1 ,完成钎头、钎杆模型的机加工后，再将它进行退火处理，释放初应力，消除加工应力。 检查退火后的模型，合格者可留作试验之用。 2.加戴及应力冻结
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 中 小钎头光弹试验分析 力 学教 研 室 熊 砚 翔 采 矿教 研 室 齐金铎 摘 要 为 提 高钎 头 的使 用 寿 命和寻 求合 理 的结构 设 计 ， 对 小 毫米钎 头进行 了光 弹试 验 。 试 验 结 果表 明 在 钎头 截面 变化及 其 与 钎杆末端 接 触处 有应 力集 中 ， 在钎 头 的 尾端 有较 大的周 向应 力 ， 这 与 生产 实 践 中出现 的钎 头断腰 和 尾部 开 裂 现象符合 。 根 据试 验 ， 对钎 头 的结 构形状 及 钎 头 与钎杆的联 结提 出 了改进 意见 ， 收到 良好 的效果 。 一 、 式验 方 法 模 型 制作 材料制 作 环氧树脂 、 邻 苯二 甲酸二 丁 脂 、 顺 丁 稀二 酸干 以 一定 比例 配制 ， 按工 艺要求 ， 将 其 浇铸 于涂 有脱模 剂 的 玻 璃管 中 ， 在 恒 温箱 中进 行低 温固 化 ， 制 成 小 毫 米的 棒 材 。 为了避 免 和减 少原 材料 中的 初应 力 ， 在 弹 塑 性状 态 下脱 模 ， 然后 在 不受 约 束的 情 况 下 ， 对环氧树脂 棒进 行二 次固 化 。 机加工 切去环氧树 脂 棒的 端 部 ， 按 图纸 尺寸加工 成钎 头体 及钎杆 末端 部分的 形 状 。 因为主 要 是研 究钎 头体的应 力 ， 暂 不 考虑 硬质 合金对 钎 头头 部的局 部影 响 〔 〕 。 所 以 ， 对钎 头体作了如图 的 简 化 。 图 ， 完成钎 十 、 钎杆 模型 的 机 加工 后 ， 再 将它进 行 退火处 理 ， 释放 初应 力 ， 消除 加工应 力 。 检查退火后 的模型 ， 合 格者可 留作试验 之用 。 加毅及应 力冻结 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1981．03．022
(1)根据钎头体的工作情况，采用了如图2的加载方式。 (2)钎头体是立体模型，是三维物体，不能在光弹仪中直接观测它的应力分布情况， 因此，采用了应力冻结和切片观测的方法。 (3)根据初步估算确定，应力冻结时，大约需要加力16公斤。试验时，考虑加载系统 的影响在内，实际加力： PM=17.58公斤 1.加力杆 2.钢球 3.钢板 4.钎杆模型 5.钎头体模型 图2钎头在加力架上加载 3.切片 根据应力一光定律，在受力模型中，沿两主应力方向分解而得到的偏振光，其相对减速 与垂直光线传播方向的应力有关。也就是说，在模型中只能观测到与光线传播方向垂直的， 这个平面内的应力，与传播方向平行的应力是观测不到的，因此，假设光线的传播为Z轴， 则观察到的等差线条纹只与σx、·y,Txy有关。小钎头的受力状态虽属三向应力问题，但由 于纤头体及载荷都是轴对称的（图3），所以，T,。=T0z=0,钎头体内只有0，、0z、0。、T,2 等应力，并且口。是主应力。因此，对模型进行两种切片，即可求出这些应力，切片的方式是： (1)如图3平行于Z轴（包括Z轴）取出轴向切片A(如图4b) (2)如图3垂直于Z轴取出横向切片B(图4a)。在垂直于Z轴方向共取出1、2"、 3#、4等四个横向切片，其相对位置如图4b所示。 1 (a) (b) 图3小钎头体是一个轴对称问题 图4两种切片 2
根 据 钎 头 体的 工 作情况 ， 采用 了如 图 之的加载方式 。 钎 头体是立体模 型 ， 是三维 物 体 ， 不能在光 弹仪 中直接观 测它的应力分布情况 ， 因此 ， 采用 了应 力冻结 和 切片观测的 方 法 。 根 据 初 步估算确定 ， 应 力冻结时 ， 大约需 要加 力 公斤 。 试 验时 ， 考虑加载系统 的影 响在 内 ， 实际加力 公斤 图 加 力杆 钢 球 钢板 钎 杆模型 钎 头体 模型 钎 头在加 力 架上加 载 切 片 根 据 应力一光 定律 ， 在 受 力模 型 中 ， 沿 两主应 力方 向分解而得 到的 偏振光 ， 其相 对减速 与垂 直光 线传播方 向的 应 力有关 。 也 就 是说 ， 在模 型 中只 能观 测到 与光线 传播方 向垂 直的 ， 这个 平面 内的 应 力 ， 与传播方 向平行的 应 力是 观 测 不到的 ‘ 因此 ， 假设光线的传播 为 轴 ， 则 观 察到 的 等差线 条纹只 与 、 ， ， 丫 ， 有 关 。 小钎 头 的受 力 状态 虽属三 向应 力问题 ， 但 由 于 钎头体 及载荷 都 是 轴 对 称的 图 ， 所 以 ， ， 。 二 。 ， 钎头体内只 有 ， 、 、 。 、 丫 ， 等应 力 ， 并且 。 是 主应 力 。 因此 ， 对模 型进 行 两种切片 ， 即可求 出这些应 力 ， 切片的 方式 是 如 图 平行 于 轴 包括 轴 取 出轴 向切片 如 图 如 图 垂 直于 轴取 出横 向切片 图 。 在垂 直于 轴方 向共取 出 琳 、 、 、 扭” 等四 个横 向切片 ， 其相 对位 置 如 图 所示 。 夕 ‘ 气 〔 佗 图 小 钎头体是 一 个轴对 称 问题 图 两 种切片
一、观测及应力计算 1.轴向切片A 将切片置光弹仪的偏振光场中，当光线垂直于切片入射时，在平行于Z轴的切片A上， 可以观测σ：、口，、τ，z的光学效应，根据等差线和等倾线照片，整理出等差线和等倾线如 图5所示。按照切片上各点的等差线条纹级数，和由等倾线而确定的角度0，可以建立如 下的关系。 T,a=号A一8in28A (1) 2 0,-02=-片-00820A (2) 一轴向切片A中观测点的等差线（即等色线）条纹级数。 d一轴向切片的厚度，根据切片实际厚度取值。 一材料条纹值。用与钎头体相同的材料制成的园盘，进行对径压缩，从而计算出 材料条纹值，「=0.407公斤/厘米2 0~一一观测点的主应力与轴的夹角，由轴向切片中观测的等倾线确定。 0.5 20 1.25 15 1.5 7 0.25 1,5 10 5 1.25 1.25 (a) () 图5轴向切片等差线及等倾线分布图 2.横向切片B 在垂直于Z轴的横向切片B中，当光线垂直切片入射时，显示出由0，、σ，所产生的光学 效应，这样，根据照片就可以作出横向切片的等差线了（图6）。对于横向切片来说， ·。、σ，即为次主应力，他们的方向是已知的，因此，按照切片上观测点的等差线条纹级数 n,对og、,可以建立如下的关系式： O-0:=nnf d a (3) 3
一 、 观 测及 应 力 计算 轴 向切 片 将切片置 光弹 仪 的 偏振 光场 中 ， 当光 线垂 直 于 切片 入射 时 ， 在 平行 于 轴的 切片 上 ， 可 以 观测 。 、 、 ， 的 光 学效应 ， 根 据 等差 线 和 等 倾线 照片 ， 整 理 出等 差 线 和 等倾 线如 图 所示 。 按照 切片 上 各点 的 等差 线 条纹 级数 ， 和 由等 倾线 而确定 的 角度 人 ， 可 以 建立 如 下的关 系 。 人 。 。 ， ， － 一 － － 乙 人 一 忙一 。 日 人 － 轴 向切片 中观 测点 的 等差 线 即等 色线 条纹级 数 。 、 － 轴 向切片 的厚 度 ， 根 据 切片 实际厚 度取 值 。 － 材料 条纹 值 。 用 与钎头 体相 同的 材 料制 成的 园盘 ， 进 行对径 压 缩 ， 从 而计算出 材料 条纹 值 ， 公 斤 厘 米 ， 一观 测点的 主 应 力 与 轴 的 夹 角 ， 由轴 向切片 中观 测的 等 倾线 确定 。 ’ 、 件 、夕‘、口、 尸 、、 图 轴 向切片 等差 线及 等倾 线分 布 图 横 向切 片 在垂 直 于 轴的 横 向切片 中 ， 当光线垂 直 切片 入射 时 ， 显示 出 由 ， 、 ，所 产生 的 光学 效应 ， 这样 ， 根 据 照片 就可 以 作 出横 向切片 的 等 差 线 了 图 。 对 于 横 向切 片 来 说 ， ， 、 即为次 主应 力 ， 他 们 的 方 向是 已知 的 ， 因此 ， 按 照 切片 上 观 测点 的 等差 线 条纹级 数 。 ， 对 。 。 、 可 以 建 立如 下 的 关 系式 。 一
一一横向切片中观测点的等差线的条纹级数。 ,一一楼向切片的厚度，按实测取值。 1常 3装 2.75 25 5 0.75 4 ◆ 5 图6横向切片条纹级数分布图 3.钎头体中的应力 根据钎头体轴向及横向切片的观测资料，前面已经建立了三个关系式，但是，婴同时计 算出o,、σ。、oz、t,z三个方程式是不够的，还需要补充一个（柱坐标)衡方程式〔1)： 28:+20就+1：04+K=0 0, K一一自重产生的体积力，在试验中略去不计。 用差分法近似计算： ,=-工&zA,-E81:01△r=0 (4) 式中「是观测点到轴线的距离（半径）。由于钎头体的外嗟是1山面，所以，在钎头体 的外侧边界上，0，=0 根据轴向切片所得的观测数据nA、0和横向切片所得的观测数据，分别代入(I)、 (2)、(3)、(4)式，计算出σ：、o、z、tr值，列下表1中。表1中的数据，是模 型受力PM=17.58公斤的条作下得到的。若表中的应力0，、0z、T,,川UM表示，则不难求 得模型受力P公斤时的应力 P 0=17.580M (5) 由于试验模型的尺寸，内外壁表面的边界条件，加力方式等都与实物相同，因此，在不 计由材料泊松比不同而带来的微小误差时〔2、3)，根据(5)式，由表1中的数据可以求出钎 头（实物）受力P公斤时所产生的应力。 4
。 －横向切片 中观 测点的 等差线 的 条纹级 数 。 〕一 一 拱 向切 片的 厚 度 ， 按 实测取 值 。 图 横向切片条 纹级 钦分布 图 钎头休 中的应 力 根据 钎 头体 轴 向 及横 向切片的 观 测 资料 ， 算出 、 。 、 、 下 乙 三 个方 程式 是 不 够的 ， 前面 已经 建立 了三 个关系式 ， 但是 ， 要 同时计 还需 要 补 充一 个 柱 坐标 平衡方 程式 〕 ， ， ， 一 二 一 十 一 汀 ， 刁乙 一 仃 处 － 自重产 生 的 体积 力 ， 在 试验 中略去 不计 。 用 差 分法近 似计 算 一 △ ‘ ， 一 。 。 一 乙 一 凸 ， ， 一 口 －－ 丛 凸 乙 ’ 一 式 中 是 观 测点 到轴线 的 距 离 半径 。 由于 钎 头 体的 外 壁 是 自山面 ， 所 以 ， 在钎头 体 的 外侧边 界上 ， ， 根 据 轴 向切片 所得 的 观 测数据 人 、 ， 和 横 向切 片 听得 的 观 测数 据 ， 分别代 入 、 、 、 式 ， 计 算出 ， 、 ， 、 型 受 力 公 斤 的 条 件 下得 到 的 。 得 模 型 受 力 公 斤 时的应 力 口 、 。 值 ， 列 厂表 以 。 表 中的 数 据 ， 是 模 若 表 中的 应 力 、 。 。 、 ， 川 丁 表示 ， 则 不难 求 － － 一 、 ， 巴 ” ‘ 由于 试 验模 型 的 尺 寸 ， 内外壁 表 面的 边界 条件 ， 加 力方 式 等都 与实物相 同 ， 因此 ， 在 不 计 由材料泊松 比 不 同而带 来 的 微 小 误 差 时 〔 、 〕 ， 根据 式 ， 由 表 中的 数据 可 以 求 出钎 头 实物 受 力 公 斤 时所产 生 的应 力
根据表1的数据，可以作出纤头体中的应力分布，如图7，图8，图中0点，位于轩头 (钎裤)的外壁表面，7点位于内壁表面（参考图4)。 1卡 56 图7不同横向切片的应力分布图 图8轩头体内表面附近的应力分布图 表1 试验观测数据及计算得到的应力（公斤/厘米2） 切片上横向切片编 的点号号（参看图4） r(cm ns Uz 1.75 0.25 0° 1.6 0 2.171 -0.377 0 2 1.75 0.9 0° 0.8 0 1.123 -1.356 0 0 1.75 1.1 0o 0.6 0 0.814 -1.658 0 4 1.75 1.2 0。 0.2 0 0.286 -1.808 0 1.663 0.3 10° 1.7 -0.123 2.184 -0.548 0.071 1.657 0.95 3° 1.15 -0.102 1.511 -1.526 0.073 1.651 1.2 1.5° 0.7 -0.067 0.884 -1.873 0.054 1.644 1.35 1° 0.35 -0.039 0.462 -2.072 0.034 5
根据 表 的数据 ， 可 以 作出钎 头体 中的应 力分布 ， 如 图 ， 图 ， 图 中 。 点 ， 位于钎头 钎裤 的 外壁表 面 ， 点位 于 内壁 表 面 参考图 。 丫勺、、心 叭甲气」 ‘ 沪才毛﹄ 伸 尸竹一了 八 丐气 “ 一洲犷 ， 才一 ‘ 。 炭考、 丫 蔫奢吸 图 不 同横 向切 片 的 应力分布 图 图 钾头体 内表面 附近 的应力分布 图 表 试验观 测 数据 及计 算得 到的应 力 公斤 厘 米 “ 切片上 横 的点 号 号 一 … 二 … 。 · 二 一 ‘ · ” · … 】 ‘ · ’ · ” · … … … ” “ · … 。 ‘ ‘ · ‘ · ‘ ” ” · 。 … … 些 上月兰生土兰创一 一 一 一 一上 ………… … … 。 … …… · …… 口 丫 一 一 一 一 一 一 一 一 几，
续表1 试验观测数据及计算得到的应力（公斤/厘米2） 切片上横向切片编 的点号号（参看图4） r(cm) 0 T t z 1.576 0.4 16° 2.1 -0.283 2.567 -0.794 0.14 2 1.5641.05 7。 1.25 -0.208 1.546 -1.743 0.182 2 3 1.5521.23 3° 0.8 -0.15 0.936 -1.993 0.096 1.5381,45 1.5° 0.55 -0.1 0.685 -2.282 0.055 1 1.489 0.7 20° 2.25 -0.444 2.609 -1.252 0.267 2 1.471 1.1 10° 1.4 -0.357 1.607 -1.915 0.277 1.453 1.25 5° 1 -0.26 1.097 -2.115 0,162 4 1.432 1.55 2° 0.6 -0.172 0.685 -2.502 0.071 1 1.402 1 22° 2.4 -0.639 2.618 -1.723 0.445 2 1.378 1.15 12° 1.65 -0.536 1.779 -2.119 0.345 3 1.354 1.3 6.5° 1.15 -0.391 1.17 -2.3 0.216 1.326 1.65 2.5° 0.65 -0.26 0.668 -2.737 0.105 1 1.315 1.2 24° 2.65 -0.898 2.698 -2.108 0.616 2 1.285 1.18 14° 1.75 -0.735 1.72 -2.305 0.412 3 1.255 1.28 7.5° 1.25 -0.543 1.153 -2.406 0.252 1.22 1.8 2。 0.7 -0.363 0.688 -3.061 0.136 1 1.228 1.3 26° 2.8 -1.19 2.711 -2.396 0.743 2 1.192 1.2 16° 1.85 -0.962 1,636 -2.496 0.475 3 1.156 1.27 8.5° 1.35 -0.715 1.117 -2.545 0.281 4 1.114 1.85 3.5° 0.75 -0.471 0.683 -3.238 0.168 1 1.141 1.4 28° 2.95 -1.522 2.731 -2.702 0.844 1.099 1.708 2 1.23 17 2.1 -1,238 -2.775 0.512 3 1.057 1.26 10° 1.5 -0.915 1.121 -2.699 0.326 4 1.008 1.9 4° 0.9 -0.609 0.548 -3.45 0.197 注：表中数据是试验中对模型加力，PM=17,58公斤的条件下得到的，根据表中的应 力，由(5)式可以求出受P公斤力时，实物中的应力，带负号的数字为压应力。 三、对钎头结构及其与钎杆联接的改进意见 前面已经指出，根据钎头的形状和加载情况，钎头体的受力分析属于轴对称问题，轩头 体中只有0z、口、·，和t,z四个应力。在钎头体的内壁边界上，0，和t,z与钎杆传来的冲 击力有直接关系，但是，与0。和σz相比，其数值并不太大。钎头体中最大的应力是σz和 0,而且他们一个是压应力，一个是拉应力，这是直接影响钎头体强度的主要因素。 6
续表 试验观 测数据 及计算得到的应力 公斤 厘 米 ’ 一 注 表 中数 据 是试 验 中对 模型 加 力 ， 。 公 斤 的 条件 下 得 到的 ， 根据表 中的应 力 ， 由 式可 以求 出受 公 斤 力 时 ， 实物 中的应 力 ， 带负 号的 数字为压 应 力 。 三 、 对钎 头 结构及 其与钎 杆联 接的改进 意见 前面 已经 指 出 ， 根据 钎头的 形状 和加载情 况 ， 钎头 体的受 力分析属 于 轴对称 问题 ， 钎头 体中只有 、 ，、 和 下 ， 四 个应力 。 在钎 头体 的 内壁边界上 ， 和 ， 与钎杆传来的 冲 击 力有直 接关 系 ， 但是 ， 与 ，和 。 相 比 ， 其 数 值 并 不太大 。 钎 头体 中最 大的 应力是 和 ，， 而且 他们一 个是压 应 力 ， 一 个是 拉应 力 ， 这是直接影 响钎 头体强度的 主要 因素
1.钎头断腰问题 试制钎头初期，纤头体采用了图12的传统结构形式，花生产试验中经常发生断腰事 件，例如，我院和莲花山备件厂1979年9月试验的一批中40毫米斜假刃一字形纤头，钎裤硬 度为HRC30,在经过Y「-25凿岩机活塞冲击5×105次以后，几乎100%以断腰破坏，根据 破坏情况看，显然，这与σz有直接关系。 针对这种情况，根据图纸，按实物尺寸制成模型，并且进行了光弹试验。从应力冻结模 型的轴向切片看出（图5），在钎头的腰部，等差线及等倾线都很密集，说明在这个区域 内，有较大的应力，而且应力分布复杂。经过计算后，定量地得到应力数值，有关的结果， 分别列于表1和表示在图8中。钎头腰部之所以出现很大的应力σ，这一方面是由于从钎 头内壁与钎杆挤压面到钎杆前端不与钎杆接触的面上，在很小的范围内，钎头内壁表面径向 位移发生突变的结果。另一原因是，纤头的结构形状和尺在这里发生很大的变化，在很短 的范围内刚度发生突变，因而产生很高的应力集中。为了解决断腰的问题，我们进行了以下 几组试验。 (1)将钎杆端部倒角45°。根据这种条件进行的光弹试验，从轴向切片的等差线照片 看出，在钎杆末端与钎头接触处仍有应力集中，纤杆末端45°的折线倒角，并未改变这个区 城钎头位移突变的状况，因而效果不明显。 (2)轩杆端部制成中50毫米的球面，球面部分的长度为5毫米。从图9所示的轴向切片 等差线照片看出，在这种清况下，应力集中减小，情况有所好转。这说明钎杆末端的曲线过 渡，减缓了纤头内壁位移的突变，改善了应力状态，使纤杆末端与纤头接触处的应力显著降 低。 (3)将晾钎头体内壁的折线（图12a)过渡改为回弧过渡，而外壁则改为园锥面（图 12b及图10图11)，这不仅消除了由外部折角所引起的应力集中，同时也增加了钎头腰部的 厚度，从而提高纤头体的强度，减少断腰。 图9 图10 图11 (4)除钎头体内壁采用园弧过渡外，同时还将内外壁表面凡寸发生变化的部位错开 (图12c),减缓钎头体刚性的突变，减少内外两侧应力集中的相互影响。 经过多次室内和现场试验，将钎杆末端及钎头体的结构形状改变以后，基本上消灭了钎 头体断腰现象。最后，图12c成为鉴定纤头的标准结构。 7
钎头断腰 问题 试制 汗头初 期 ， 钎 失 体采 用 了图 的 传统 结 构形 式 ， 在 生 产 试验 中经 常发生断腰事 件 ， 例 如 ， 我院 和 莲 花 山备 件厂 年 月 试验 的 一批 小 毫 米斜 假刃 一 字形 钎 头 ， 钎 裤硬 度 为 。 ， 在经 过 一 凿 岩 沉活 塞 冲击 “ 次 以 后 ， 几乎 以 断 腰 破坏 ， 根据 破坏 情 况 看 ， 显 然 ， 这 与 有直 接关系 。 针对 这种 清况 ， 根 据 图纸 ， 按 实物尺 寸 制成模 型 ， 并且 进 行 了光 弹试验 。 从应 力冻结模 型的 轴 向切 片看出 图 ， 在 钎 头 的 腰 部 ， 等 差 线 及 等 倾线都 很 密集 ， 说 明在这个区域 内 ， 有较 大的 应 力 ， 而 且 应力 分市复杂 。 经 过 计算后 ， 定 量地 得 到 应 力数 值 ， 有关的 结果 ， 分别 列 于 表 和 表 示 在 图 中 。 钎 头腰 部 之所 以 出现 很 大的 应 力 ， 这一方 面是 由于从钎 头内壁 与钎杆 挤 压 面 到钎杆 前端 不 与钎杆 接触 的 面 上 ， 在 很 小的 范 围 内 ， 钎 头内壁 表面径 向 位 移发生 突变的 结 果 。 另一 原 因是 ， 钎 头的 结 构形状 和 尺 寸 在这 里发生很 大的 变 化 ， 在 很 短 的 范 围内刚度 发生 突变 ， 因而 产 生 很 高的 应 力集中 。 为 了解 决断腰 的 问题 ， 我们进 行 了 以 下 几组 试验 。 将 钎杆 端 部 倒 角 “ 。 根据 这种 条件 进 行的 光 弹 试验 ， 从 轴 向 切片的 等差 线照 片 看 出 ， 在钎杆 末端 与钎 头接触 处仍 有应 力集中 ， 钎杆 末端 “ 的 折 线 倒 角 ， 并未 改变这 个 区 域钎 头位 移 突变 的 状 况 ， 因而效 果 不 明显 。 钎汗 端 部制成 小 毫米的 球面 ， 球 面 部分的 长度 为 毫米 。 从 图 所 示 的 轴 向切 片 等差 线照 片看 出 ， 在 这种 情 况 下 ， 应 力集 中减 小 ， 隋况有所好 转 。 这说 明钎杆 末端的 曲线 过 渡 ， 减缓 了钎 失内壁 位 移的 突变 ， 改 善 了应 力状 态 ， 使钎杆 末端 与钎 头接触 处的应 力显著降 低 。 将原 钎 头 体内壁 的 折 线 图 劝 过 渡改 为 园 弧 过 渡 ， 而外 壁 则 改 为 园 锥面 图 及图 图 ， 这 不 仅消除 了 由外 部折 角所 引起 的应 力集中 ， 同时也增 加 了钎 头腰 部的 厚度 ， 从而提 高钎 头 体的 强度 ， 减少断腰 。 图 图 图 除钎 头 体 内壁 采 用 园 弧 过渡 外 ， 同时 还 将 内外 壁 表 面 尺 寸发生 变 化的 部位 错开 图 ， 减 缓 钎头体 刚性的 突变 ， 减少 内外两侧应 力集中的相 互影 响 。 经 过多次室 内和 现场 试验 ， 将钎杆 末端 及钎 头 体的结 构形状 改 变 以后 ， 从 本 上 消灭 了钎 头体断腆现象 。 最 后 ， 图 成为鉴定 钎 头的标准结构
图12钎头体结构形状改进过程 2.胀裤问题 钎头体断腰的问题解决之后，在进一步试验时，随着岩石硬度的增加，冲击力也随之增 大，因此，在硬岩中凿岩时，又出现了胀裤和钎头尾部开裂的问题。根据表1和图8的应力 分布图看出，显然，这是由于在纤头尾部传力（指σ，、T,z)过大，从而产生很大切向应力 σ。的结果。在冲击凿岩的过程中，冲击力是破岩的主要因素，不能用减小冲击力的办法来 解决胀裤问题，应该在冲击力不变的基础上减小σ，和·，为此，采用了以下措施： (1)选用合适的材料，并且钎头尾部要有足够的厚度。 (2)适当增加钎杆与钎头体的接触长度，让冲击力在较大的面上进行传递，从而使钎 头体中的应力σ，和口。减小。 (3)钎头与钎杆的接触面都要进行良好的加工，使其互相匹配，让接触面上的应力尽 量趋于均匀分布。在生产现场中，当发现钎杆与钎头的配合不够满意时，在接触面上加铜质 薄垫片，也可以适当改善接触面上的应力分布。 采用这些措施以后，基本上解决了钎头胀裤的问题，使钎头的寿命有显著的增加，最后 达到了鉴定的水平。 对中43小钎头的光弹应力分析，是钎头组室内工作的一部分，工作过程中，得到我组丁 钦贡、蔡元铨、冯铭瀚、施大德、高庆华、陈小军等同志的指导和帮助，在此，向他们表示 感谢。 参考文献 (1)S.Timoshenko and J.N.Goodier THEORY OF ELASTICITY 〔2〕M·M弗罗赫特光弹性力学科学出版社1978 〔3〕大连工学院数理力学系光测组光弹性试验国防出版社 〔4)熊翼翔关于柱齿钻头过盈配合的初步分析北京钢铁学院学报1979.1 〔5)熊翼翔徐鹿学潜孔钻头光弹应力分析有色金属1980.6 〔6)丁钦贡中40毫米斜假刃一字形钎头设计、试制与现场试验报告1980.7 〔7)蔡元铨中43毫米柱齿形小钎头设计试制与现场试验报告1980.7 P
图 钎头体结构形状改进过程 胀裤问颐 钎 头体断腰 的 问题解决之后 ， 在进一 步试验 时 ， 随着岩石硬度的增 加 ， 冲击 力也随之 增 大 ， 因此 ， 在 硬 岩 中凿 岩 时 ， 又 出现 了胀 裤和 钎头尾 部开裂 的 问题 。 根据表 和 图 的应 力 分布图看 出 ， 显 然 ， 这是 由于在钎头尾 部传力 指 ， 、 过大 ， 从而产生 很大切 向应 力 ，的结果 。 在 冲击凿岩 的 过程 中 ， 冲击 力是 破岩 的 主要 因素 ， 不 能用减 小冲击力的 办法来 解决胀 裤问题 ， 应 该在冲击 力 不变的 基础 上减小 。 和 。 ， 为此 ， 采用 了 以 下措施 选 用 合适 的材 料 ， 并且钎头 尾 部要有足 够的厚度 。 适 当增 加 钎杆 与钎头体的接触 长度 ， 让 冲击 力在较大的面 上进行传递 ， 从而使钎 头体 中的 应力 ， 和 ，减小 。 钎头 与钎杆 的接触 面都 要进行 良好的加工 ， 使其互相 匹 配 ， 让接触 面 上 的应 力尽 量 趋于均 匀分布 。 在 生产 现场 中 ， 当发现钎杆 与钎头 的 配合不够满意 时 ， 在接触 面 上加铜质 薄 垫片 ， 也可 以适 当改善接触 面 上 的应 力分布 。 采 用 这些措施 以后 ， 基本上解决 了钎头胀 裤的 问题 ， 使钎 头的寿命有显著的增加 ， 最后 达 到 了鉴定 的水 平 。 对 小 小钎 头的光弹应 力分析 ， 是钎头组室 内工 作的 一 部分 ， 工 作过程 中 ， 得 到我组丁 钦贡 、 蔡元 锉 、 冯 铭瀚 、 施大德 、 高庆华 、 陈 小军 等同志 的指导 和 帮助 ， 在此 ， 向他们表示 感谢 。 参 考 文 献 弗罗赫特 光 弹性力学 科学出版社 大连工学院数理力学系 光 测组 光 弹性试验 国防出版社 熊 宾翔 关于柱齿 钻头过 盈 配合的 初 步分析 北京钢 铁学院学 报 熊又翔 徐鹿学 潜孔钻头光弹应力分析 ‘ 有色金 属 丁 钦贡 小 毫米斜 假刃一 字形钎头设计 、 试制 与现场 试验报告 蔡元 栓 小 毫米柱齿形小钎头设计 试制 与现场 试验报告 几 沪、、沙、沪‘尸护、沪卫，卫月胜 沪、气 任﹄自一内了月 产、几、，、尹几子